基于ARM的智能电网数据采集器设计

入门级数据采集器的应用及系统结构

入门级数据采集器通常支持单相电力线，用途是采集自动抄表系统（AMR）的数据或新式带数字输出的智能电表数据。采集的数据通常存储在采集器系统的闪存中（内置或外置于微控制器本身），集中数据通过选定的通信接口在预定时间传输至上游网络。

入门级数据采集器向上游网络传递信息之前通常会执行一定量的初步数据处理。例如，结合少量的数据采样和时间记录，数据采集器可以报告某一特定时间内的电力使用情况，从短短几分钟到一个星期或一个月不等。也可以根据不同时间间隔和筛选方式对数据进行分类、存储。这样有助于公用事业公司详尽地分析电力使用趋势，数据粒度细化至单个用户，并可进行动态调整，实现更合理的电力输配。经配置后，数据采集器可监测电子式电表的下游运行情况。如果电表参数发生变化，或报告间隔超过公差，或检测到故障或异常数据，则数据采集器会实现软件智能化，及时报警，并向维护团队提供远程修复所需的信息。

各地智能电网的传输方式可能有所不同，因此，应地方规范要求，需要扩展基本功能集。根据数据采集器的部署位置，可以使用RS-485、通用分组无线业务（GPRS）或电力线通信（PLC）进行数据传输，也可用红外线或RS-485进行外部控制。许多开发商并不针对每个地区或市场进行定制设计，而是采取了“一刀切”的做法，构建系统支持可能使用的所有传输方式（但不是所有传输方式都同时使用）。此做法可能在制造时带来规模经济效益，但同时对微控制器将提出更多要求。

入门级数据采集器系统框图和资源要求

图1显示了如何配置微控制器用于入门级数据采集器，表1则列出了该设计的一般功能要求。假定该设备从多个UART端口采集数据，并支持多种基本功能，包括输入采集、数据存储、通信和维护。设计中包括用于提供时间戳数据的实时时钟RTC、进行实时供电质量检查的可选模数转换器ADC以及与外部存储器或外部设备通信（如无线传输射频模块）一起使用的可选SPI接口。

图1 用于入门级数据采集器的微控制器配置示例

表1中未列出微控制器本身的电耗要求，但通常来说，数据采集器需要高效用电。公用事业公司不想增加电网电力消耗而产生的额外成本，消费者也不愿意因使用新的计量功能而增加电费支出。


入门级数据采集器元件选举及考量

恩智浦LPC1200工业控制系列为入门级数据采集器提供了不错的解决方案。如图2所示，该系列采用ARM Cortex-M0处理器，提供高达128 KB闪存，且包含数据采集器可以使用的其他资源，如RTC、ADC和SPI。

图2 LPC1200功能框图

LPC1200系列标配支持两个UART，另外，其独特的特殊应用标准产品（ASSP）功能使得该系统可以额外支持两个硬件UART。ASSP功能让设计人员可以避免增加高端设备支出，同时又具有足够的灵活性，可在不同应用中执行多项任务。例如，其内置的ASSP还可以被配置用于I2C转DMA传输、引脚模式匹配或模拟数据记录等。使用ASSP可降低CPU的负载及减少处理简单信息时对系统运行产生的中断，可在定制微控制器功能的同时最大限度地降低系统开销。

中级和高级数据采集器的应用及系统结构

较之入门级数据采集器，中级和高级数据采集器都具有更广泛的功能。高级与中级的区别通常在于CPU的速度。也就是说，高级数据采集器一般需要更快的CPU速度，而这对微控制器配置至关重要。

高级数据采集器系统框图和资源要求

高级数据采集器常用于更复杂的住宅设置和三相工业应用中。计算需求越高，CPU性能要求也越高。200 MHz以上主频通常是最佳选择。高级数据采集器还具备更先进的通信和控制功能，如以太网和Wi-Fi、用于交互式显示的LCD接口以及供本地数据下载的USB主机。这些新增功能需要更多闪存与系统内存，且需要实时操作系统（RTOS）。图3给出了示例功能框图。

图3 用于高级数据采集器的微控制器配置示例

图4 用于中级数据采集器的微控制器配置示例

高级数据采集器元件选举及考量

对于图3的应用方案，恩智浦LPC3250系列不失为一个很好的选择。该系列采用ARM9 CPU内核，其运行速度高达266 MHz，同时采用矢量浮点（VFP）协处理器用于高级算术运算。此外，还提供了必要的外设和接口，包括7个UART、1个带专用DMA控制器的10/100 G以太网MAC、1个具有全速主机和设备性能的USB OTG、1个RTC，以及1个灵活的可支持STN和TFT面板的LCD控制器。
图3的配置为三芯片解决方案，因为微控制器需要外部SDRAM和NAND闪存才能形成足够的存储器资源。如果系统不需要这么快的CPU时钟频率，则选择一款板载资源充足的微控制器往往更为可取，这也正符合了中级解决方案的要求，如图4所示。

中级数据采集器元件选举及考量

相对于高级解决方案，中级数据采集器的突出优点是成本较低。因为需要较少的组件，所以在PCB方面可节省高达2~3美元成本。简单的配置带来更好的经济性，但性能上的局限使得中级数据采集器更适合作为入门级的升级产品使用，并非高级解决方案的替代方案。中级数据采集器更适合于以牺牲系统功能换取成本的工业应用。对于想提高系统性能的住宅应用来说也是不错的选择，如以太网实时通信可用于控制用户电源开与闭，或用于报告状态变化（显示设备篡改）等。
恩智浦LPC1760系列非常适合中级数据采集器。该系列采用ARM Cortex-M3 CPU，主频高达100 MHz，且包括最大64 KB的SRAM和512 KB闪存。板载外设和通信接口也为中级数据采集器提供了充足的资源。

数据采集器执行了提高电网智能化的重要任务。选择合适的32 bit微控制器可简化开发步骤，设计出经济高效的解决方案。选择微控制器时，工程师应考虑片上资源，也应考虑其他设计因素，如设备可靠性（温度和湿度范围、数据保持能力、电流快速瞬变可靠性、防静电等）、系统级组件集成、区分功能（如数据加密），当然还有价格因素。恩智浦的ARM解决方案包括LPC1200、LPC32x0和LPC1760系列，可提供最佳的性能特点组合及满足系统需求，是各种住宅甚至是工业用数据采集器设计的理想选择。